基于熱電偶的睡眠呼吸監測傳感器的仿真與分析

高翔　苗曉丹　蘇開明　楊卓青

摘要：針對阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥（OSAHS）這一常見疾病，本文設計了一種基于薄膜熱電偶的睡眠呼吸監測傳感器，并通過賽貝克效應和傳熱學原理分析了呼吸過程中溫度以及對流換熱系數的變化，為傳感器呼吸監測能力的可行性提供了理論依據。本文采用COMSOL進行了有限元仿真，研究了基底厚度、熱電偶材料、熱電偶厚度以及導線排布方式對傳感器的影響，同時對結構進行了優化處理。此后，還分析了在不同通氣情況下熱電偶熱端的溫度曲線差異，其結果表明傳感器具有判別OSAHS患者的能力。

關鍵詞：OSAHS;呼吸監測;薄膜熱電偶;傳熱學;有限元仿真

【Abstract】Aimingatobstructivesleepapneahypopneasyndrome（OSAHS），thispaperdesignsakindofsleeprespirationmonitoringsensorbasedonthinfilmthermocouple，andanalyzesthechangesoftemperatureandconvectiveheattransfercoefficientintheprocessofrespirationthroughSeebeckeffectandheattransfertheory，whichprovidesatheoreticalbasisforthefeasibilityofthesensor'srespirationmonitoringability.Inthisresearch，thefiniteelementsimulationofCOMSOLisusedtostudytheinfluenceofsubstratethickness，thermocouplematerial，thermocouplethicknessandwirearrangementonthesensor，andoptimizesthestructure.Finally，thetemperaturecurvedifferenceofthermocouple'shotjunctionunderdifferentbreathingconditionsisanalyzed.TheresultsshowthatthesensorhastheabilitytodistinguishOSAHSpatients.

【Keywords】OSAHS;respiratorymonitoring;thinfilmthermocouple;heattransfertheory;finiteelementsimulation

作者簡介：高翔（1996-），男，碩士研究生，主要研究方向：微機電系統。

0引言

目前阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥（OSAHS）被認為是一種嚴重的具有潛在致死性的睡眠呼吸疾病，容易導致中風和突發性心力衰竭并影響患者的心理健康[1]。臨床上一般使用多導睡眠監測儀作為OSAHS的監測手段。

根據美國睡眠醫學學會的分級標準，對睡眠呼吸暫停綜合癥的監測和診斷可以分為4級：1級，標準多導睡眠儀檢查;2級，全指標便攜式多導睡眠儀檢查;3級，改良便攜式睡眠呼吸暫停檢查;4級，單或雙生物指標持續記錄[2]。

作為一種傳統的睡眠監測設備，多導睡眠監測儀是睡眠監測領域的最為權威的監測手段。目前的應用范圍主要覆蓋醫院和睡眠實驗室。多導睡眠監測儀可以記錄人體在整個睡眠過程中的各種生理信號，包括心電圖（ECG）、腦電圖（EEG）、眼電圖（EOG）、肌電圖（EMG）、呼吸信號、氧飽和度、睡眠姿勢等[3]。但由于存在著基礎費用昂貴、對患者有著巨大的身心壓力等缺點，近年來針對便攜式睡眠呼吸監測設備（2級、3級和4級）上的研究也逐漸成為熱點。

Zhu等人[4]提出了一種基于小波變換的實時呼吸節律和脈搏率的實時測量方法，該方法利用枕頭下充液管采集的壓力信號，準確地獲得呼吸節律和脈搏率。Bu等人[5]采用氮化鋁（AlN）材料制成的柔性壓電薄膜傳感器。由于AlN薄膜傳感器具有良好的靈敏度，因此壓力波動所測得的信號可進一步分解為與呼吸和心跳相對應的信號。Beattie等人[6]通過安裝在床下的測壓元件來監測運動、心率和呼吸。同時也描述了如何使用測壓計數據來區分臨床相關的呼吸障礙（呼吸暫停和低通氣）和正常呼吸。Jiang等人[7]研制了一種便攜式睡眠呼吸監測系統，包括3個傳感器模塊，具體就是：用于監測鼻氣流的熱膜式氣流傳感器、用于監測胸呼吸、身體姿勢、身體活動多參數的三軸加速度計和用于監測血氧飽和度的脈搏血氧儀。

本文基于賽貝克效應，設計了一種便攜式睡眠呼吸監測傳感器，通過對熱電偶的溫差電動勢的測量，來實現對呼吸信號的監測。在呼吸作用下，熱電偶熱端溫度會產生變化，同時冷端溫度保持不變，由于冷熱兩端存在溫差而產生電動勢?？梢酝ㄟ^分析和處理電動勢信號來對睡眠呼吸暫停綜合癥做出診斷。該傳感器的優點在于攜帶起來方便、經濟性好、對人體友好、并且沒有心理負擔。

1呼吸監測傳感器模型及理論

1.1呼吸監測傳感器模型

睡眠呼吸監測傳感器的示意圖如圖1所示。由圖1可看到，將聚酰亞胺薄膜（PolyimideFilm）作為基底材料，薄膜上設置有3處凸起結構，在其上濺射有金屬導線作為熱電偶。薄膜貼在鼻端，上方凸起部分伸入鼻腔內部，下方凸起部分放置在嘴唇上方。在呼吸的作用下，熱電偶節點的溫度發生改變，由此產生電勢信號。通過外部導線，信號傳輸到穿戴式項圈，在項圈中進行信號的采集、放大和過濾。此后即將電勢信號轉換為呼吸信號。

通過CAD軟件繪制光刻掩膜板，薄膜上熱電偶導線分布情況如圖2所示。

1.2賽貝克效應及熱傳遞

塞貝克效應在1821年首次觀察到。研究可知，塞貝克效應就是：當2種不同金屬在2節點連接，并且2個節點保持不同的溫度，就會有電流連續不斷流過電路。賽貝克效應可用以下公式進行表示[8]：

賽貝克系數在不同的溫度下會發生改變，表1中賽貝克系數為熱端100°，冷端為0°時的情況。考慮到經濟性以及對人體無毒的要求，研究中選取了銅-銅鎳（康銅）作為熱電偶材料。

1.3工藝制造

通過MEMS微加工工藝對呼吸監測薄膜進行制造，其中涉及的工藝內容可表述如下。

（1）清洗。使用碳酸鈣擦拭pi膜表面，在去離子水中進行超聲波清洗，稍后進行烘干。

（2）光刻。在玻璃基底上附著清洗好的pi膜，放入甩膠機中進行甩膠。預甩膠10s，轉速500轉/min，正式甩膠30s，轉速1600轉/min。甩膠厚度為6.5μm。烘干后進行光刻圖形化，曝光時間為90s，顯影時間為100s。

（3）濺射。在聚酰亞胺薄膜表面濺射500nm的銅，通過NaOH去除光刻膠。去除光刻膠后，更換掩膜板并重復光刻的步驟，接下來會濺射500nm的康銅，最后再次去膠。要注意的是，為保證2種金屬材料相接，掩膜板的線條需要部分重疊。

2睡眠呼吸信號分析

將呼吸氣流的變化近似為正弦函數，已知正常人睡眠狀態的潮氣量約為0.6L[9]，一個呼吸周期為3s，則人體肺部氣體體積Q的曲線圖像如圖3所示。而Q隨時間t的變化可以表示為：

3呼吸監測傳感器的有限元仿真分析

3.1對薄膜的仿真分析

假設在沒有呼吸的情況下，將薄膜貼在鼻端，研究其穩態狀態。將鼻端的溫度設定為37℃。同時，薄膜受到空氣自然對流的影響。環境溫度設定為20℃，此時的自然對流換熱系數設定為5W/（m2·K）。對流換熱系數的值影響傳熱的快慢，在穩態研究中決定溫度平衡點的位置。獲得的穩態結果如圖6所示。

隨后改變薄膜的厚度，研究不同厚度下薄膜中心表面溫度隨時間的變化情況，仿真結果如圖7所示，隨薄膜厚度的增加，溫度提升速度也隨之減慢，同時人體溫度與外界溫度的平衡點下降，但總體的下降幅度不大。

在本文的原定方案中曾設計將熱電偶冷端安置在薄膜上，與引出冷端的方案相比，該方案能夠能節省空間來設置更多的節點。但通過本次的仿真結果會發現pi膜本身的熱阻率并不理想，無法滿足在薄膜上設置的冷端的要求。這里提出2個解決方案。一是采用熱阻率更好的材料，二是將冷端引出薄膜表面。本文中選擇了第二個方案。

在數量級上，薄膜的面積要遠遠大于薄膜的厚度，由此其在厚度方向的傳熱能力遠大于平面方向的傳熱能力。根據圖6中的仿真結果可知，薄膜與鼻端接觸處會受到人體溫度的影響，而薄膜突起處由于不和人體直接接觸，故所受的影響較小。因而將熱端設置在突起處是可行的，冷端卻不能設置在薄膜上，同時因為溫差電動勢只和導體兩端溫差有關，和導體中間溫度分布無關，所以無需考慮薄膜受人體溫度影響的部分。

3.2對熱電偶節點的仿真分析

假設此時環境溫度為20℃，人體呼吸溫度為37℃，兩者溫差為17℃。穩態情況下，對單個熱電偶產生的溫差電動勢進行熱電耦合仿真，材料選擇為銅-康銅，賽貝克系數SAB取43μV/K。熱電偶的冷端如圖8所示，產生的溫差電動勢為7.30×10-4V。

按照給定的塞貝克系數，在17℃的溫差下，通過上文提到的公式（2）可以得出其溫差電動勢為：

假定在有呼吸的作用下，進行瞬態研究。呼吸信號的頻率范圍為0～0.35Hz。正常成年人呼吸頻率是16～20次/min，即3～4次/s[11]。將其轉化為溫度信號，其中前1.5s為呼出，后1.5s為吸入。呼出空氣為37℃，吸入空氣為20℃。以此獲得一個周期內的薄膜溫度變化情況。這里采用簡化模型，暫不引入對流換熱系數的變化情況。由于溫度信號和電勢差信號成線性關系（塞貝克系數固定），所以這里僅展示了節點的溫度變化情況.仿真結果如圖9所示。

通過改變熱電偶厚度研究其對溫度變化的影響，不同厚度下的溫度變化情況如圖10所示。

將熱端溫度達到最高溫度90%的時間作為響應速度。不同厚度下的熱電偶響應速度見表2。通過表2可知，隨著熱電偶厚度的減小，節點的響應速度也隨之增快。

其中，ρ表示電阻率;L表示導體長度;S表示導體截面積。電阻過大會不利于信號的采集，所以不應該過度追求響應速度的快慢而減小厚度。

3.3不同呼吸狀態下的仿真分析

將對流換熱系數作為仿真邊界條件輸入，同時進行參數化掃描，研究發生低通氣情況下的溫度變化情況。呼吸暫停時曲線無明顯變化，這里不做討論。仿真研究結果如圖11所示。由圖11可知，低通氣與正常呼吸的溫度變化曲線有著顯著的不同。

進一步分析可知，后幾個呼吸周期與第一次周期之間存在明顯的區別，分析原因是由于溫度變化的范圍存在一個穩定的區間，需要時間來達成這一穩定化的過程。其中，藍色和綠色曲線分別是氣流減小70%和50%的情況，熱電偶冷熱端最高溫差分別下降了15.6%和9.31%。

4結束語

本論文對基于熱電偶的呼吸監測傳感器的工作原理進行分析并加以仿真。基于賽貝克效應可知，熱電偶冷熱端的溫差能夠產生溫差電動勢，可以計算出溫差的大小。同時通過對流換熱的理論分析，即可知曉在不同呼吸情況下，對流換熱系數存在明顯區別，該特點可以作為傳感器工作的理論依據。通過研究仿真發現，冷端若放置在薄膜上，會受到人體溫度的影響，因而選擇將冷端引出薄膜。熱電偶厚度對響應速度的影響很大，厚度越薄、響應速度越快，但厚度的減小會導致電阻值的增加不利于信號采集，因此在厚度選擇上應該綜合考量各方面因素。此外，論文中的仿真也驗證了正常呼吸和低通氣/呼吸暫停之間的信號差異，可以用來判斷是否患有OSAHS。

參考文獻

[1]YAGGIHK，CONCATOJ，KERNANWN，etal.ObstructivesleepApneaasariskfactorforstrokeanddeath[J].NewEnglandJournalofMedicine，2005，353（19）：2034-2041.

[2]童茂榮，斐蘭，童茂清，等.多導睡眠圖學技術與理論[M].北京：人民軍醫出版社，2004.

[3]劉綿詩.基于心率信號的睡眠監測儀的設計與實現[D].南京：南京郵電大學，2018.

[4]ZHUXin，CHENWenxi，NEMOTOT，etal.Accuratedeterminationofrespiratoryrhythmandpulserateusinganunder-pillowsensorbasedonwavelettransformation[C]//AnnualInternationalConferenceoftheIEEEEngineeringinMedicine&BiologyConference.Shanghai，China：IEEE，2005，6：5869-5872.

[5]BUN，UENON，FUKUDAO.Monitoringofrespirationandheartbeatduringsleepusingaflexiblepiezoelectricfilmsensorandempiricalmodedecomposition[C]//.200729thAnnualInternationalConferenceoftheIEEEEngineeringinMedicineandBiologySociety.Lyon，France：IEEE，2007，2007：1362-1366.

[6]BEATTIEZT，HAGENCC，PAVELM，etal.Classificationofbreathingeventsusingloadcellsunderthebed[C]//InternationalConferenceoftheIEEEEngineeringinMedicine&BiologySociety.Minneapolis，MN，USA：IEEE，2009：3921-3924.

[7]JIANGPeng，ZHURong，DONGXiaosong，etal.CombinationmodeofphysiologicalsignalsfordiagnosisofOSASusingportablemonitor[J].Sleep&breathing，2018，22：123-129.

[8]李海濤.ITO/In_2O_3薄膜熱電偶的制備及熱電性能研究[D].成都：電子科技大學，2017.

[9]董麗霞，陳寶元.阻塞性睡眠呼吸暫?；颊卟煌邥r相呼吸驅動變化的研究[J].天津醫科大學學報，2007，13（2）：158-161.

[10]王厚華.傳熱學[M].重慶：重慶大學出版社，2006.

[11]王彬.基于呼吸信號的情感識別研究[D].重慶：西南大學，2010.